فیزیک زمین و فضا

فیزیک زمین و فضا

بررسی موردی گرمایش ناگهانی پوشن‌سپهر از دیدگاه تاوائی پتانسیلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محمد مرادی 1
غلامرضا براتی 2
1 پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو، تهران، ایران.
2 گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.
10.22059/jesphys.2026.409829.1007755
چکیده
در پژوهش حاضر بر اساس پژوهش‌های پیشین، ابتدا دو گرمایش ناگهانی پوشن‌سپهر زمستانه در دو نیمکره جنوبی (سپتامبر 2002) و شمالی (ژانویه 2009) انتخاب و سپس با استفاده از داده‌های میانگین نصف‌النهاری میانگین مداری دما در کلاهک قطبی و میانگین مداری مؤلفه مداری باد در روی مدار شصت درجه برای تعیین روز مرکزی و نوع گرمایش، تحلیل شدند. در ادامه با به‌کارگیری داده‌های دما و مؤلفه‌های مداری و نصف‌النهاری باد در سطوح مختلف فشاری، تاوائی پتانسیلی ارتل و تاوائی پتانسیل ارتل به‌هنجار شده در چند سطح هم‌درگاشت محاسبه و تغییرات آنها در هنگام رخداد گرمایش ناگهانی و اثر بر تاوه قطبی پوشن‌سپهر بررسی شد.
نتایج نشان داد که تاوائی پتانسیلی ارتل به سبب دارا بودن عامل پایداری ایستایی، توانسته است اثر گرمایش ناگهانی پوشن‌سپهر بر تاوه قطبی را در این دو مورد نشان دهد و تغییرات تاوائی پتانسیل ارتل به‌هنجار شده در سطوح هم‌درگاشت مختلف نیز گرمایش‌های انتخابی را به خوبی آشکار کند. بعلاوه بیشترین (کمترین) مقدار تاوائی پتانسیلی به‌هنجار شده در نیمکره شمالی (جنوبی) در سطح هم‌درگاشت 600 کلوین قبل از روز مرکزی برآورد شد و مشخص شد که موقعیت مکانی هسته‌های بیشینه و کمینه در هر دو نیمکره در محدوده 70 تا 90 درجه عرض‌جغرافیایی می‌باشد. تحلیل مراکز کمینه و بیشینه تاوائی پتانسیلی ارتل نشان داد که بعد از روز مرکزی در گرمایش زمستان 2002، مراکز کمینه به‌تدریج در نزدیکی قطب جنوب جای گرفته‌اند درحالی‌که مراکز بیشینه در گرمایش زمستان 2009، به مناطق دورتر از قطب شمال تغییر یافته است.
کلیدواژه‌ها
تاوائی پتانسیلی به‌هنجار شده
تاوه قطبی پوشن‌سپهر
گرمایش ناگهانی پوشن‌سپهر
موضوعات

عنوان مقاله English

A case study of major sudden stratospheric warming from view point of potential vorticity

نویسندگان English

Mohammad Moradi 1
Gholamreza Barati 2
1 Atmospheric Science and Meteorological Research (ASMERC), Tehran, Iran.
2 Department of Physical Geography, Faculty of Earth Sciences, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
چکیده English

Sudden stratospheric warming (SSW) events are frequently observed over the arctic and are exceptionally rare in the southern hemisphere. A major strong sudden stratospheric warming occurred in the southern hemisphere stratosphere in winter of 2002. The strongest SSW in the northern hemisphere was observed in winter of 2009. During these two phenomena, strong westerly winds associated with the polar vortex decreased, and temperature had a rapid increase in the polar caps. Majority of SSW episodes are associated with either a split or displacement of the polar vortex. These changes in the polar vortex are significant because they assist to determine the severity of warmings, which can affect regional weather, and can aid in the diagnosis of wave forcing’s. These can be studied effectively using the potential vorticity maps. We used the Ertel’s potential vorticity on the five isentropic levels between, 420 and 850K. We used the daily zonal mean data from the MERRA2 assimilated data and NCEP-NCAR reanalysis data. From MERRA2, daily zonal-mean zonal wind at 60° and average of zonal-mean temperature at polar cap were obtained at 6 level pressure from 150hPa to 10hPa from 15 November 2008 to 15 February 2009 and 15 June to 15 November 2002. From the NCEP–NCAR data, daily zonal and meridional wind components, temperature and geopotential height at 17 level pressure from 1000hPa to 010hPa were used and then computed Ertel’s potential vorticity on the isentropic surfaces. Then scaled the potential vorticity fields to vorticity units as in Dunkerton and Delisi (1986) and was estimated modified potential vorticity. This scaling was performed to provide fields with a similar order of magnitude throughout the stratosphere as opposed to potential vorticity only.
We first examined the time evolution cross section of zonally averaged temperature, zonal wind, static stability, absolute vorticity, Ertel’s potential vorticity over pressure surfaces and modify potential vorticity over isentropic surfaces to identify the warmings onset day, zero day and decay day for the trace of SSW and its relation with polar vortex, then for the determined three periods: before and after the zero day and the time of recovery. Next, we examined Ertel potential vorticity changes on different isentropic surfaces in the three periods introduced.
The results present that the Ertel’s potential vorticity in two cases of SSW due to the conservation factor or vertical profile of the potential temperature, was able to show the effect of SSW on the polar vortex, and the changes in the modified potential vorticity at different isentropic levels also revealed the SSW in the southern and northern hemispheres. In addition, the maximum (minimum) value of the modified potential vorticity in the northern (southern) hemisphere was estimated on the isentropic level of 600 K before the zero day of the selected SSW, and it was found that the location of the maximum and minimum cores in both hemispheres were in the range of 70 to 90 degrees north and south latitudes. Also, in the days before the warming, the minimum values of the Ertel’s potential vorticity at different isentropic levels in the 2002 SSW, were greater than the maximum values related to the 2009 SSW, regardless of their sign. Analysis of the minimum and maximum value of Ertel’s potential vorticity at the 600 K isentropic level showed that after the central day or zero day in the SSW of 2002, the position of minimum value gradually moved to the south pole, while the position of the maximum value in the SSW of 2009 shifted to areas further away from the north pole.

کلیدواژه‌ها English

Modified Potential Vorticity
Stratospheric Polar Vortex
Sudden Stratospheric Warming
احمدی‌گیوی، ف.؛ محب‌الحجه، ع. و قرایلو، م. (1385). مطالعة دینامیک سامانه‌های چرخندی روی ایران از دیدگاه تاوائی پتانسیلی: مطالعة موردی برای آذر ماه 1382. مجله فیزیک زمین و فضا، 32 (1)، 1-13.
دریکوند، ث.؛ نصیری، ب.؛ قائمی، ه.؛ کرمپور، م. و مرادی، م. (1401). تحلیل آماری مؤلفه‌ی مداری باد در رخداد گرمایش ناگهانی پوشن‌سپهری. مجله پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 54(4)، 533-548.
علی‌اکبری بیدختی، ع.؛ بنی‌هاشم، ت.؛ محب‌الحجه، ع. و مرادی، م. (1381). تهیه و تحلیل نقشه‌های تاوائی پتانسیلی هم‌درگاشت. طرح تحقیقاتی دانشگاه تهران، شماره شناسائی 1552550، کتابخانه مرکزی و مرکز اسناد، 54 صفحه.
محب‌الحجه، ع. و مرادی، م. (1381). فرایابی تاوائی پتانسیلی راسبی-ارتل بر روی سطوح هم‌دمای پتانسیلی. دومین همایش پیش‌بینی عددی وضع هوا، تهران.
مرادی، م. (1399الف). بررسی دوره زندگی گرمایش ناگهانی پوشن‌سپهر نوع اصلی در نیمکره شمالی. مجله جغرافیا و مخاطرات محیطی، 9(4)، 107-122.
مرادی، م. (1399ب). ارتباط گرمایش ناگهانی پوشن‌سپهر نوع اصلی با تغییرات تاوه قطبی در دوره آماری 2019-1979. مجله فیزیک زمین و فضا، 46(3)، 620-603.
مرادی، م. (1401). اثر گرمایش ناگهانی پوشن‌سپهر در تغییرات ارتفاع وردایست گرمایی در نیمکره شمالی (2020-1979). مجله فیزیک زمین و فضا، 48(3)، 731-748.
مرادی، م. (1402). مطالعه موردی نقش گرمایش ناگهانی پوشن‌سپهر در تغییرات ازن کلی نیمکره شمالی. مجله پژوهش‌های دانش‌زمین؛ 53، 102-118.
Ageyeva, V., Yu., Gruzdev, A.N., Elokhov, A.S., Mokhov, I.I., & Zueva, N.E. (2017). Sudden Stratospheric Warmings: Statistical Character is tics and Influence on NO2 and O3 Total Contents. Atmospheric and Oceanic Physics, 53(5),477-486.
Baldwin, M. P., & Holton, J. R. (1988). Climatology of the stratospheric polar vortex and planetary wave breaking. J. Atmos. Sci., 45(7), 1123–1142.
Baldwin, M.P., Ayarzagüena, B., Birner, T., Butchart, N., Butler, A.H., Charlton-Perez, A.J., Domeisen, D.I.V., Garfinkel, C.I., Garny, H., Gerber, E.P., Hegglin, M.I., Langematz, U., & Pedatella, N.M. (2021). Sudden stratospheric warmings. Rev. Geophys. 59, e 2020 RG000708. https://doi.org/10.1029/ RG.000708.
Chandran, A., & Collins, R.L. (2014). Stratospheric sudden warming effects on winds and temperature in the middle atmosphere at middle and low latitudes: a study using WACCM. Ann. Geophys. 32, 859–874. https://doi.org/10.5194 /angeo-32-859-2014,2014.
Cordiner, M.A., Garcia-Berrios, Cosentino, R.G., Teanby, N.A., Newman, C.E., Nixon, C.A, Thelen, A.E., & Charnley, S.B. (2020). Detection of Dynamical Instability in Titan’s Thermospheric Jet. Astrophysical Journal Letters, 904: L12 (8pp).
Domeisen, D.I.V., & Butler, A.H. (2020). Stratospheric drivers of extreme events at the Earth’s surface. Commun Earth Environ, 59(1),1-8, https://doi.org/10.1038/s43247-020-00060-z.
Dunkerton, T. J., & Delisi, D.P. (1986). Evolution of potential vorticity in the winter stratosphere of January–February 1979. J. Geophys. Res., 91, 1199–1208.
Hoskins, B.J., McIntyre, M.E., & Robertson, A.W. (1985). On the use and significance of isentropic potential vorticity maps. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 111, 877-946.
Kalnay, E., Kanamitsu, M., Kistler, R., Collins, W., Deaven, D., Gandin, L., Iredell, M., Saha, S., White, G., Woollen, J., Zhu, Y., Chelliah, M., Ebisuzaki, W., Higgins, W., Janowiak, J., Mo, K.C., Ropelewski, C., Wang, J., Leetmaa, A., Reynolds, R., Jenne, R., & Joseph, D. (1996). The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project. Bull. Am. Meteorol. Soc. 77, 437–472.
Kozubek, M., Lastovicka, J., & Krizan, P. (2020). Comparison of Key Characteristics of Remarkable SSW Events in the Southern and Northern Hemisphere. Atmosphere, 11(10), 1063, https://doi.org/10.3390/atmos11101063.
Kuttippurath, J., & Nikulin, G. (2012). A comparative study of the major sudden stratospheric warmings in the Arctic winters 2003/2004–2009/2010. Atmos. Chem. Phys., 12, 8115–8129.
Lait, L.R. (1994). An alternative form for potential vorticity. J. Atmos. Sci., 51, 1754–1759.
Lecouffe, A., Godin-Beekmann, S., Pazmino, A., & Hauchecorne, A. (2022). Evolution of the intensity and duration of the Southern Hemisphere stratospheric polar vortex edge for the period 1979–2020. Atmos. Chem. Phys., 22, 4187–4200, https://doi.org/10.5194/acp-22-4187-2022.
Lee, S.H., Butler, A.H., & Manney, G.L. (2025). Two major sudden stratospheric warmings during winter 2023/2024. Weather, 80(2), 45-53.
Li, Y., Kirchengast, G., Schwaerz, M., & Yuan, Y. (2023). Monitoring sudden stratospheric warmings under climate change since 1980 based on reanalysis data verified by radio occultation. Atmos. Chem. Phys., 23, 1259–1284. https://doi.org/10.5194/ acp-23-1259-2023.
Light, S., Gurwell, M., Thelen, A., Lombardo, N.A., & Nixon, C. (2024). Measurements of Titan’s Stratospheric Winds during the 2009 Equinox with the eSMA. Planet. Sci. J. 5(4), 98, 1-10.
Liu, G., Hirooka, T., Eguchi, N., & Kruger, K. (2022). Dynamical evolution of a minor sudden stratospheric warming in the Southern Hemisphere in 2019. Atmos. Chem. Phys., 22, 3493–3505, https://doi.org/10.5194/acp-22-3493-2022.
Liu, M., Hu, D., & Guan, Z. (2023). Modulation of a long-lasting extreme cold event in Siberia by a minor sudden stratospheric warming and the dynamical mechanism involved. Clim. Dyn. 60, 797–811. https://doi.org/10.1007/s00382-022-06353-7.
Millan, L.F., Manney, G.L., & Lawrence, Z.D. (2021). Reanalysis intercomparison of potential vorticity and potential-vorticity-based diagnostics. Atmos. Chem. Phys., 21, 5355–5376.
Mirrokni, S.M., Mohebalhojeh, A., & Dritschel, D.G. (2011). Revisiting Vacillations in Shallow-Water Models of the Stratosphere Using Potential-Vorticity-Based Numerical Algorithms. J. Atmos. sci., 68(5), 1007-1022. doi: https://doi.org/10.1175/2011JAS3622.1.
Mitra, G., Guharay, A., Batista, P.P., & Buriti, R. A. (2022). Impact of the September 2019 minor sudden stratospheric warming on the low-latitude middle atmospheric planetary wave dynamics. J. Geophys. Res: Atmospheres,127, e2021JD035538. https://doi.org/10. 1029/2021JD035538 (2022).
Mitra, G., Guharay, A., & Paulino, I. (2024). Signature of a zonally symmetric semidiurnal tide during major sudden stratospheric warmings and plausible mechanisms: a case study. Sci. Rep. 14, 23806 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-72594-7
Müller, R., & Gunther, G. (2003). A Generalized Form of Lait’s Modified Potential Vorticity. J. Atmos. Sci., 60, 2229–2237.
Nash, E. R., Newman, P.A, Rosenfield, J.E., & Schoeberl, M. R. (1996). An objective determination of the polar vortex using Ertel’s potential vorticity. J. Geophys. Res., 101, 9471–9478.
Qian, C., Huang, J., Tian, W., Liu, J., Song, Y., & He, L. (2024). Impacts of the Arctic stratospheric polar vortex weakening on Ural blocking in Boreal winter. J. Geophys. Res.: Atmospheres, 129(21),
Roy, R., & Kuttippurath, J. (2022). The dynamical evolution of Sudden Stratospheric Warmings of the Arctic winters in the past decade 2011–2021. SN Appl. Sci. 105(4). https://doi.org/10.1007/s42452-022-04983-4.
Roy, R., Kuttippurath, J., Lefèvre, F., Raj, S., & Kumar, P. (2022). The sudden stratospheric warming and chemical ozone loss in the Antarctic winter 2019: comparison with the winters of 1988 and 2002, Theor. Appl. Climatol., 149, 119–130, https://doi.org/10.1007/s00704-022-04031-6, 2022.
Seo, J., & Choi, W. (2022). Stratospheric polar vortex revisited: New diagnostic for the vortex breakup. J. Meteor. Soc. Japan, 100, 687–705, doi:10.2151/jmsj.2022-036.
Seviour, W. J. M., Mitchell, D. M., & Gray, L. J. (2013). A practical method to identify displaced and split stratospheric polar vortex events. Geophysical Research Letters, 40, 5268–5273, doi:10.1002/grl.50927, 2013.
Sharkey, J., Teanby, N. A., Sylvestre, M. A. S., Mitchell, D. M., Seviour, W. J. M., Nixon, C. A., & Irwin, P. G. J. (2021). Potential Vorticity Structure in Titan's Polar Vortices from Cassini CIRS Observations. Icarus, 354, Article 114030. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2020.114030
Shi, Y., Evtushevsky, O., Milinevsky, G., Wang, X., Klekociuk, A., Han, W., Grytsai, A., Wang,Y., Wang, L., Novosyadlyj, B., & Andrienko, Y., (2023). Impact of the 2018 major sudden stratospheric warming on weather over the midlatitude regions of Eastern Europe and East Asia. Atmospheric Research, 297. 107112. 10.1016/j.atmosres.2023.107112.
Yamazaki, Y., Matthias, V., Miyoshi, Y., Stolle, C., Siddiqui, T., Kervalishvili, G., Lastovicka, J., Kozubek, M., Ward, W., Themens, D. R., Kirstoffersen, S., & Alken, P. (2019). September 2019 Antarctic sudden stratospheric warming: quasi-6-day wave burst and ionospheric effects. J. Geophys. Res.: Space Physics, 123(5), 4094–4109.
Yessimbet, K., Steiner, A. K., Ladstädter, F., & Osso, A. (2024). Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes. Atmos. Chem. Phys., 24, 10893–10919,
Zi, Y., Long, Z., Sheng, J., Lu, G., Perrie, W., & Xiao, Z. (2025). The sudden stratospheric warming events in the Antarctic in 2024. Geophysical Research Letters, 52, e2025GL115257. https://doi. org/10.1029/2025GL115257
فیزیک زمین و فضا
دوره 52، شماره 2
تاریخ انتشار الکترونیکی: 14 شهریور 1405
تابستان 1405
صفحه 355-374